本发明属于氧化镁靶材
技术领域：
，具体涉及一种基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材的制备方法。
背景技术：
：氧化镁具有高温热稳定性、高介电性、低介电损耗及多种衬底晶格匹配良好等优点，氧化镁薄膜通常采用磁控溅射方法，靶材的纯度、致密度、晶粒尺寸及尺寸分布都会极大地影响溅射薄膜的质量与性能，如靶材的致密度影响溅射时的沉积速率、溅射镀膜粒子密度和弧光放电，还影响溅射镀膜的电学和光学性能，而且靶材的晶粒越细小，溅射速率越快，晶粒尺寸分布越集中，厚度分布也越均匀。目前，氧化镁靶材的制备方法主要有无压烧结、注浆成型、热压烧结、热等静压烧结和冷等静压成型等，但是这些方法都存在一定的缺陷。无压烧结易于产生变形、靶材围观结构不均匀、成品率低，注浆成型中使用大量粘结剂，靶材纯度低，而且容易造成靶材变形开裂，热等静压成本较高等。而且氧化镁靶材在机械加工过程中，总会引入硬化层，容易造成刀具磨损，并在在金属表层引入大量位错与应力，使表层粗糙度和硬度增加，直接导致靶材溅射速度和初期溅射的薄膜均匀性差。通常为了消除靶材表面硬化层的影响，需要在靶材正式使用前进行烧靶，溅射去除表层，不仅对靶材造成材料损耗，而且消耗大量的时间与精力，提高了使用成本。中国专利CN103030380A公开的一种热压烧结高致密度氧化镁靶材的制备方法，将高纯度纳米级氧化镁粉体置于热压烧结炉中，经真空、升温加压、保压脂质氧化镁靶材烧结尺寸达到设计值。该方法制备的氧化镁靶材纯度高、致密度高，但是成本较高，工艺较为复杂。而且目前针对氧化镁靶材表面硬化层的处理方面的研究也不多见。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材的制备方法，将高纯度的氧化镁粉末作为原料，经冷等静压成型、真空烧结、表面精密机加工、得到氧化镁靶材，然后利用连续波激光热处理法、扫描电子束法或非相干宽带频光源法对靶材进行表面快速热处理，得到基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材。本发明制备方法周期短，生产成本低，制备的氧化镁靶材晶粒小，致密度高，纯度高，制备工程无污染，材料讯号小，绿色环保，适合于批量生产。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材的制备方法，包括以下步骤：(1)以氧化镁粉末为原料，对原料进行行星球磨，球磨转速为150-300r/min，球磨时间为8-32h，球料比为1.5-3:1，研磨后的粉末进行200目筛分；(2)将步骤(1)中筛后粉末进行冷等静压成型，压力为150-350MPa，保压时间为5-20min，得到氧化镁压坯；(3)将步骤(2)中氧化镁压坯进行真空烧结，烧结温度为1400-1550℃，保温时间为2-10h，真空度为0.1-1.0Pa，真空烧结结束后，根据所需靶材尺寸进行进行表面精密机加工至靶材表面粗糙度≤0.8μm，得到氧化镁靶材；(4)将步骤(3)氧化镁靶材进行表面研磨，然后进行清洗，最后在真空条件下用连续波激光热处理法、扫描电子束法或非相干宽带频光源法进行表面快速热处理，得到基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材。作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，氧化镁粉末的纯度不低于99.99％，杂质元素总含量为100ppm以下，平均粒径为100-300nm。作为上述技术方案的优选，所述步骤(1)中，球磨介质为氧化锆球，球级差中球：小球为1-3:1。作为上述技术方案的优选，所述步骤(2)中，氧化镁压坯的相对密度为58-62％，相对密度偏差低于2％。作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，真空烧结的升温过程为：室温加热到500-1000℃，保温4-10h，以加热速率不超过5℃/min的速率升温到1000℃后开始抽真空，在10min内的烧结真空度为0.1-1.0Pa，然后以加热速率不超过2℃/min的速率从1000℃升温到烧结温度1400-1550℃，保温2-10h。作为上述技术方案的优选，所述步骤(3)中，氧化镁靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差为3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，清洗方法为：先用皂液去除零件表面油污，再用体积比为1:1:1的24-26wt％的硫酸、12-14wt％硝酸和12-14％的氢氟酸的混合溶液酸性试剂进行化学清洗，最后用丙酮去除油脂。作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，连续波激光热处理法的扫描方式为搭接往复扫描方式或螺旋扫描方式，激光功率为1-3kW，激光散焦距离为20-50mm，光斑直径为10-50mm，扫描速度为1-50mm/s，加热温度为350-450℃，扫描过程中靶材倾斜角度为10°-30°。作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，扫描电子束法的扫描方式为搭接往复扫描方式或螺旋扫描方式，电子束斑功率密度为1-3kW/cm2，扫描速度为1-50mm/s，加热的速度为100-200℃/s，加热温度为350-450℃。作为上述技术方案的优选，所述步骤(4)中，非相干宽带频光源法的扫描方式为整体辐照方式，非相干宽带频光源为卤光灯、电弧灯、石墨加热器或红外设备，加热的速度为50-100℃/s，加热温度为350-450℃，保温时间为1-10min。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(1)本发明制备的基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材采用球磨工艺处理的高纯度氧化镁粉末作为原料，球磨处理后的氧化镁粉末的粒径分布、分散性变好，提高了颗粒内部畸变能，使冷等静压成型时坯材的密度和均匀性远高于传统的单向受压或者双向受压成型坯体，之后可在较低的烧结温度下经真空烧结得到致密度更高，晶粒尺寸更细小均匀的靶材，烧结过程中不添加添加剂和烧结助剂，消除气孔中阻碍孔隙消除的气体压力，促进靶材致密化，而且靶材的表面光洁度好，尺寸大不受限制。(2)本发明制备的基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材通过连续波激光热处理法、扫描电子束法或非相干宽带频光源法对靶材进行表面快速热处理，通过快速热处理的肌肤效应，使靶材表面的硬化层发生再结晶，消除硬化层中的应力和位错，得到与基体基本一致的再结晶组织，解决氧化镁靶材的表面硬化层难以消除的技术问题，且不会影响靶材的内部组织和膏板性能。(3)本发明制备方法简单，生产周期短，效率高，生产成本低，可批量生产，制备过程无污染，材料损耗小，绿色环保，制备的氧化镁靶材纯度高，致密度好，尺寸不受限制，靶材的表面和内部的组织一致，保持了靶材的性能均一，适合于工业化生产。具体实施方式下面将结合具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。实施例1：(1)以氧化镁粉末为原料，对原料进行行星球磨，球磨介质为氧化锆球，球级差中球：小球为1:1，球磨转速为200r/min，球磨时间为16h，球料比为2:1，研磨后的粉末进行200目筛分，其中氧化镁粉末的纯度不低于99.99％，杂质元素总含量为100ppm以下，平均粒径为100nm。(2)将筛后粉末进行冷等静压成型，压力为200MPa，保压时间为8min，得到氧化镁压坯，其中氧化镁压坯的相对密度为59.7％，相对密度偏差低于2％。(3)将氧化镁压坯进行真空烧结，室温加热到500℃，保温4h，以加热速率5℃/min的速率升温到1000℃后开始抽真空，在10min内的烧结真空度为0.85Pa，然后以加热速率2℃/min的速率从1000℃升温到烧结温度1400℃，保温4h，真空烧结结束后，根据所需靶材尺寸进行进行表面精密机加工得到氧化镁靶材，其中氧化镁靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差为3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。(4)将氧化镁靶材进行表面研磨，然后先用皂液去除零件表面油污，再用体积比为1:1:1的24wt％的硫酸、12wt％硝酸和12％的氢氟酸的混合溶液酸性试剂进行化学清洗，最后用丙酮去除油脂，最后在真空条件下用连续波激光热处理法进行表面快速热处理，连续波激光热处理法的扫描方式为搭接往复扫描方式，激光功率为2kW，激光散焦距离为50mm，光斑直径为13mm，扫描速度为40mm/s，加热温度为420℃，扫描过程中靶材倾斜角度为15°，防止表面反射的光束烧毁激光头，得到基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材。实施例2：(1)以氧化镁粉末为原料，对原料进行行星球磨，球磨介质为氧化锆球，球级差中球：小球为1:1，球磨转速为200r/min，球磨时间为16h，球料比为2:1，研磨后的粉末进行200目筛分，其中氧化镁粉末的纯度不低于99.99％，杂质元素总含量为100ppm以下，平均粒径为100nm。(2)将筛后粉末进行冷等静压成型，压力为200MPa，保压时间为8min，得到氧化镁压坯，其中氧化镁压坯的相对密度为59.8％，相对密度偏差低于2％。(3)将氧化镁压坯进行真空烧结，室温加热到500℃，保温4h，以加热速率5℃/min的速率升温到1000℃后开始抽真空，在10min内的烧结真空度为0.85Pa，然后以加热速率2℃/min的速率从1000℃升温到烧结温度1450℃，保温4h，真空烧结结束后，根据所需靶材尺寸进行进行表面精密机加工得到氧化镁靶材，其中氧化镁靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差为3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。(4)将氧化镁靶材进行表面研磨，然后先用皂液去除零件表面油污，再用体积比为1:1:1的26wt％的硫酸、14wt％硝酸和14％的氢氟酸的混合溶液酸性试剂进行化学清洗，最后用丙酮去除油脂，最后在真空条件下用扫描电子束法进行表面快速热处理，扫描电子束法的扫描方式为螺旋扫描方式，电子束斑功率密度为2kW/cm2，扫描速度为40mm/s，加热的速度为100℃/s，加热温度为420℃，保温时间为10s，得到基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材。实施例3：(1)以氧化镁粉末为原料，对原料进行行星球磨，球磨介质为氧化锆球，球级差中球：小球为1:1，球磨转速为150r/min，球磨时间为8h，球料比为1.5:1，研磨后的粉末进行200目筛分，其中氧化镁粉末的纯度不低于99.99％，杂质元素总含量为100ppm以下，平均粒径为300nm。(2)将筛后粉末进行冷等静压成型，压力为350MPa，保压时间为20min，得到氧化镁压坯，其中氧化镁压坯的相对密度为62％，相对密度偏差低于2％。(3)将氧化镁压坯进行真空烧结，室温加热到1000℃，保温4h，以加热速率不超过5℃/min的速率升温到1000℃后开始抽真空，在10min内的烧结真空度为1.0Pa，然后以加热速率不超过2℃/min的速率从1000℃升温到烧结温度1550℃，保温10h，真空烧结结束后，根据所需靶材尺寸进行进行表面精密机加工得到氧化镁靶材，其中氧化镁靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差为3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。(4)将氧化镁靶材进行表面研磨，然后先用皂液去除零件表面油污，再用体积比为1:1:1的25wt％的硫酸、13wt％硝酸和13％的氢氟酸的混合溶液酸性试剂进行化学清洗，最后用丙酮去除油脂，最后在真空条件下用非相干宽带频光源法进行表面快速热处理，非相干宽带频光源法的扫描方式为整体辐照方式，非相干宽带频光源为卤光灯，加热的速度为50℃/s，加热温度为420℃，保温时间为1min，得到基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材。实施例4：(1)以氧化镁粉末为原料，对原料进行行星球磨，球磨介质为氧化锆球，球级差中球：小球为3:1，球磨转速为200r/min，球磨时间为14h，球料比为2:1，研磨后的粉末进行200目筛分，其中氧化镁粉末的纯度不低于99.99％，杂质元素总含量为100ppm以下，平均粒径为150nm。(2)将筛后粉末进行冷等静压成型，压力为250MPa，保压时间为10min，得到氧化镁压坯，其中氧化镁压坯的相对密度为59.5％，相对密度偏差低于2％。(3)将氧化镁压坯进行真空烧结，室温加热到800℃，保温6h，以加热速率不超过5℃/min的速率升温到1000℃后开始抽真空，在10min内的烧结真空度为0.5Pa，然后以加热速率不超过2℃/min的速率从1000℃升温到烧结温度1500℃，保温2h，真空烧结结束后，根据所需靶材尺寸进行进行表面精密机加工得到氧化镁靶材，其中氧化镁靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差为3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。(4)将氧化镁靶材进行表面研磨，然后先用皂液去除零件表面油污，再用体积比为1:1:1的26wt％的硫酸、12wt％硝酸和14％的氢氟酸的混合溶液酸性试剂进行化学清洗，最后用丙酮去除油脂，最后在真空条件下用连续波激光热处理法进行表面快速热处理，连续波激光热处理法的扫描方式为螺旋扫描方式，激光功率为1.5kW，激光散焦距离为30mm，光斑直径为40mm，扫描速度为40mm/s，加热温度为400℃，扫描过程中靶材倾斜角度为20°，得到基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材。实施例5：(1)以氧化镁粉末为原料，对原料进行行星球磨，球磨介质为氧化锆球，球级差中球：小球为2:1，球磨转速为250r/min，球磨时间为24h，球料比为2.5:1，研磨后的粉末进行200目筛分，其中氧化镁粉末的纯度不低于99.99％，杂质元素总含量为100ppm以下，平均粒径为150nm。(2)将筛后粉末进行冷等静压成型，压力为200MPa，保压时间为15min，得到氧化镁压坯，其中氧化镁压坯的相对密度为61％，相对密度偏差低于2％。(3)将氧化镁压坯进行真空烧结，室温加热到900℃，保温6h，以加热速率不超过5℃/min的速率升温到1000℃后开始抽真空，在10min内的烧结真空度为0.5Pa，然后以加热速率不超过2℃/min的速率从1000℃升温到烧结温度1550℃，保温8h，真空烧结结束后，根据所需靶材尺寸进行进行表面精密机加工得到氧化镁靶材，其中氧化镁靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差为3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。(4)将氧化镁靶材进行表面研磨，然后先用皂液去除零件表面油污，再用体积比为1:1:1的26wt％的硫酸、12wt％硝酸和14％的氢氟酸的混合溶液酸性试剂进行化学清洗，最后用丙酮去除油脂，最后在真空条件下用扫描电子束法进行表面快速热处理，扫描电子束法的扫描方式为搭接往复扫描方式，电子束斑功率密度为2.5kW/cm2，扫描速度为30mm/s，加热的速度为200℃/s，加热温度为350℃，得到基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材。实施例6：(1)以氧化镁粉末为原料，对原料进行行星球磨，球磨介质为氧化锆球，球级差中球：小球为3:1，球磨转速为200r/min，球磨时间为20h，球料比为2.5:1，研磨后的粉末进行200目筛分，其中氧化镁粉末的纯度不低于99.99％，杂质元素总含量为100ppm以下，平均粒径为150nm。(2)将筛后粉末进行冷等静压成型，压力为200MPa，保压时间为10min，得到氧化镁压坯，其中氧化镁压坯的相对密度为59.6％，相对密度偏差低于2％。(3)将氧化镁压坯进行真空烧结，室温加热到600℃，保温5h，以加热速率不超过5℃/min的速率升温到1000℃后开始抽真空，在10min内的烧结真空度为0.3Pa，然后以加热速率不超过2℃/min的速率从1000℃升温到烧结温度1500℃，保温10h，真空烧结结束后，根据所需靶材尺寸进行进行表面精密机加工得到氧化镁靶材，其中氧化镁靶材的平均晶粒尺寸低于7μm，尺寸偏差为3.0μm以下，表面粗糙度Ra低于0.4μm。(4)将氧化镁靶材进行表面研磨，然后先用皂液去除零件表面油污，再用体积比为1:1:1的26wt％的硫酸、13wt％硝酸和12％的氢氟酸的混合溶液酸性试剂进行化学清洗，最后用丙酮去除油脂，最后在真空条件下用非相干宽带频光源法进行表面快速热处理，非相干宽带频光源法的扫描方式为整体辐照方式，非相干宽带频光源为石墨加热器，加热的速度为80℃/s，加热温度为400℃，保温时间为8min，得到基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材。对比例：(1)以氧化镁粉末为原料，进行冷单向压制成型，压力为200MPa，保压时间为8min，得到氧化镁压坯。(2)将氧化镁压坯进行真空烧结，在空气氛围下，室温加热到500℃，保温4h，根据所需靶材尺寸进行进行表面精密机加工得到高纯致密氧化镁靶材。测试方法：按照“十字形”方法测定实施例1-6以及对比例制备的氧化镁靶材的相对密度，经检测，实施例1-6以及对比例制备的氧化镁靶材的纯度、致密度、平均晶粒尺寸、尺寸偏差和Ra的结果如下所示：实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6对比例纯度(％)99.9999.9999.9999.9999.9999.9999.99致密度(％)98.3699.2399.1298.4699.0399.2096.78平均晶粒尺寸(μm)3.915.294.325.063.984.5917.75尺寸偏差(μm)1.212.381.892.032.131.675.12Ra(μm)0.2540.2970.2860.2670.2710.2810.523由上表可见，本发明制备的基于表面快速热处理高纯致密氧化镁靶材的纯度和致密度高，晶粒尺寸小，表面平整度好，而且表面和内部和组织结构一致，可降低表面的厚度层。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属
技术领域：
中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。当前第1页1 2 3